基于AMEsim的高水基Sic納米液壓介質(zhì)黏度特性仿真分析

恭飛，王雪婷，吳張永，杜奕

摘 ?要： 為研究高水基Sic納米液壓介質(zhì)的黏度特性，首先采用兩步法制備較高穩(wěn)定性的納米流體樣品并對(duì)其流體屬性進(jìn)行分析測(cè)試，得出流體屬性值，然后通過AMEsim軟件的Media Property Assistant建立高水基Sic納米液壓介質(zhì)的流體模型，最后應(yīng)用AMEsim軟件對(duì)納米流體、純水和46#液壓油的黏度特性進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算，并討論其在不同溫度、壓力和溶解空氣條件下的變化情況，通過對(duì)仿真結(jié)果的分析總結(jié)出高水基Sic納米液壓介質(zhì)的黏度特性，為納米流體作為功能流體的應(yīng)用提供仿真算法基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 液壓介質(zhì);納米;黏度;仿真;功能流體

中圖分類號(hào)： TB34 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.001

本文著錄格式：恭飛，王雪婷，吳張永，等. 基于AMEsim的高水基Sic納米液壓介質(zhì)黏度特性仿真分析[J]. 軟件，2019，40（12）：0105

Simulation of Viscosity Characteristics of High Water-based

Nano-hydraulic Medium Based on AMEsim

GONG Fei1， WANG Xue-ting1， WU Zhang-yong1*， DU Yi2

（1. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University of Science and technology， Kunming 650500，

Yunnan， China; 2. City College， Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051， Yunnan， China）

【Abstract】： In order to study the viscosity characteristics of high-water-based Sic nano-hydraulic media， a two-step method was used to prepare a highly stable nanofluid sample and its fluid properties were analyzed and tested to obtain fluid property values. Then， a high water base was established by AMEsim software Media Property Assistant. The fluid model of Sic nano-hydraulic medium was finally applied to the numerical simulation of the viscosity characteristics of nanofluid， pure water and 46# hydraulic oil by AMEsim software， and its variation under different temperature， pressure and dissolved air conditions was discussed. The analysis of the simulation results summarizes the viscosity characteristics of high water-based Sic nano-hydraulic media， and provides a simulation algorithm basis for the application of nanofluids as functional fluids.

【Key words】： Hydraulic medium; Nanometer; Viscosity; Simulation; Functional fluid

0 ?引言

基于水壓傳動(dòng)技術(shù)，現(xiàn)代液壓技術(shù)正在不斷的發(fā)展和完善，已經(jīng)成為一門新興技術(shù)。19世紀(jì)以前，純水作為主要的液壓介質(zhì)應(yīng)用于不同的液壓機(jī)械和元件上，但由于純水黏度低、易腐蝕元件，潤(rùn)滑性和密封性較差，以及受電氣傳動(dòng)的影響，導(dǎo)致液壓技術(shù)發(fā)展停滯不前[1-3]。20世紀(jì)初期，石油工業(yè)的興起和耐油合成橡膠的出現(xiàn)使液壓技術(shù)轉(zhuǎn)型進(jìn)入油壓傳動(dòng)時(shí)代[4-7]，礦物型液壓油成為最主要的液壓介質(zhì)，極大地提高了液壓元件及系統(tǒng)性能。

目前，受環(huán)保節(jié)能生態(tài)理念的影響，液壓工作介質(zhì)朝兩個(gè)方向發(fā)展[8-11]：一是以水作為液壓工作介質(zhì)的水液壓系統(tǒng)，二是發(fā)展環(huán)保型液壓工作介質(zhì)。綜上所述，特制備了一種具有良好的可壓縮性、黏性、潤(rùn)滑性、安定性、抗泡沫性、阻燃性、潔凈性，相容性以及熱導(dǎo)率大，體積膨脹系數(shù)小的高水基納米液壓介質(zhì)，具有傳遞動(dòng)力、潤(rùn)滑、密封、冷卻及防銹等功能。黏度作為液壓介質(zhì)的重要性能指標(biāo)，影響著液壓系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。黏度過低，流體機(jī)械磨損量較大，易造成系統(tǒng)泄漏;黏度過高，液阻增加，機(jī)械效率降低，因此只有選擇合適黏度的液壓介質(zhì)，在外部環(huán)境（溫度、壓力）都適宜的情況下，才能降低系統(tǒng)能量損失和磨損量?；谏鲜龇治?，以高水基納米液壓介質(zhì)[12-14]動(dòng)力源為研究對(duì)象，分析在不同壓力和溫度下，液壓介質(zhì)黏度的變化及其對(duì)系統(tǒng)的影響，為環(huán)保型高水基納米液壓介質(zhì)的應(yīng)用提供參考。

1 ?液壓介質(zhì)黏度影響因素

流體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，分子間內(nèi)聚力的存在使其流動(dòng)受到牽制， 從而沿其界面產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這一特性稱為液體的黏性[15-19]。液壓油黏度是對(duì)黏性大小的表示。常用的黏度有3種：動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度、相對(duì)黏度。在液壓系統(tǒng)中，液壓介質(zhì)黏度受溫度、壓力、氣泡的影響呈線性變化，尤其溫度影響最大，溫度上升，黏度下降，這一現(xiàn)象稱為黏-溫特性，再者，黏度隨壓力增大而變大，不過這一現(xiàn)象在壓力較低時(shí)并不明顯，當(dāng)壓力大于50 MPa時(shí)，壓力的影響變得顯著。當(dāng)壓力大于1×109 MPa時(shí)，礦物油將變成固體。另外，氣泡對(duì)黏度也有一定的影響。

2 ?納米流體建模與仿真

Sic納米流體作為液壓介質(zhì)時(shí)，黏度會(huì)隨著溫度、壓力、混入的空氣量產(chǎn)生變化，造成系統(tǒng)性能降低甚至直接受損，因此提出一種基于AMESim軟件進(jìn)行納米流體屬性仿真的方法[19，20]，探究在不同溫度，不同壓力及混入不同空氣量的情況下，Sic納米流體黏度的變化情況。

2.1 ?納米流體制備

作為環(huán)保型液壓介質(zhì)，納米流體除具有一般流體的性質(zhì)外，還具有良好的潤(rùn)滑性和導(dǎo)熱性。在進(jìn)行納米流體仿真之前，首先通過“兩步法”制備得到了Sic納米流體樣品，制備流程如圖1所示，按照n（SiC）∶n（CMC）=3的物質(zhì)的量之比進(jìn)行配比，得到了沉降穩(wěn)定性較好的納米流體如圖2所示。制備過程中所用材料及設(shè)備如下：Sic納米材料（45 nm，江蘇先豐納米科技有限公司）、基礎(chǔ)液（實(shí)驗(yàn)室自制的RO反滲透膜處理水）、分散劑（羧甲基纖維素鈉CMC）;JPT-1架盤天平、JH-100數(shù)顯恒溫控速電動(dòng)攪拌器（金壇市晶玻實(shí)驗(yàn)儀器廠）、KQ超聲波清洗儀（東莞市科橋超聲波設(shè)備有限公司）、工業(yè)冰箱（東莞市威諾試驗(yàn)設(shè)備有限公司）、SNB-1數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（維德儀器儀表有限公司）、BSY-109密度測(cè)定儀（大連北港石油儀器有限公司）、分光光度計(jì)（上海菁華科技儀器有限公司）800型離心機(jī)、電子分析天平、燒杯。

圖1 ?高水基納米流體制備流程

Fig.1 ?High water-based nanofluid preparation process

圖2 ?Sic納米流體樣品

Fig.2 ?Sic nanofluid sample

以下通過對(duì)Sic納米流體基本屬性進(jìn)行理論分析，采用相關(guān)儀器設(shè)備對(duì)Sic納米流體樣品進(jìn)行測(cè)試得到不同屬性特征值，為Sic納米流體的黏度仿真模型建立提供了準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 ?納米流體建模

2.2.1 ?黏度理論

黏度是度量黏性大小的物理量，通常用運(yùn)動(dòng)黏度黏度和動(dòng)力黏度表征，兩者的關(guān)系由以下公式得出：

（1）

式中，μ—?jiǎng)恿︷ざ?τ—剪應(yīng)力;—剪切率;ν—運(yùn)動(dòng)黏度;ρ—液體密度。

溫度變化使液體內(nèi)聚力發(fā)生變化，因此液體的黏度對(duì)溫度的變化十分敏感，溫度升高，黏度下降，這一特性稱為黏溫特性。試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)溫度在30～150℃范圍內(nèi)，對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度ν<76 cSt的液體，其黏度與溫度的關(guān)系可以表示為：

（2）

其次，當(dāng)液體所受的壓力增加時(shí)，分子間的距

離縮小，內(nèi)聚力增大，其黏度也隨之增大。在實(shí)際工程中，當(dāng)壓力大于5 MPa，需要考慮壓力對(duì)黏度的影響，其關(guān)系式為

（3）

根據(jù)以上納米流體的基本特性理論分析，對(duì)流體基本屬性測(cè)定結(jié)果如下，其工作溫度范圍為5～55℃，工作壓力范圍為0～50 bar，參考?jí)毫Φ扔? bar，參考體積模量等于13000 bar。

表1 ?Sic納米流體屬性特征值

Tab.1 ?Sic nanofluid attribute eigenvalues

測(cè)試方法 Sic納米流體特征值

運(yùn)動(dòng)粘度（單位：cSt） ASTM D445

8℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度 49.23

25℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度 18.90

60℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度 8.35

20℃時(shí)密度（單位：kg·m–3） ASTM D4052 1.0055

體積彈性模量（單位：N·m-2）

20℃恒壓下比熱容（單位：J·（kg·℃）–1）

20℃時(shí)的熱導(dǎo)率（單位：W·（m·℃）–1） 2.43

4180

0.645

2.2.2 ?仿真模型建立

通過AMESim軟件對(duì)Sic納米流體的基本屬性進(jìn)行仿真研究[21]，首先將計(jì)算好的Sic納米流體屬性特征數(shù)據(jù)編譯到軟件中，其次對(duì)編譯好的系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，最后進(jìn)行仿真測(cè)試，繪制數(shù)據(jù)圖。

根據(jù)以上步驟在AMESim熱液壓子系統(tǒng)中搭建的Sic納米流體屬性仿真模型如圖3所示。

將表1的Sic納米流體屬性特征值通過AMEsim軟件的Media Property Assistant模式建立物理模型，

如圖4所示。

圖3 ?Sic納米流體屬性仿真模型

Fig.3 ?Sic nanofluid property simulation model

（a）動(dòng)力粘度 （b）密度 （c）比熱比

（d）熱導(dǎo)率 （e）體積彈性模量 （f）熱膨脹系數(shù)

圖4 ?Sic納米流體物理模型圖

Fig.4 ?Physical model diagram of Sic nanofluid

圖4所示的Sic納米流體物理模型圖包含：（a）動(dòng)力粘度;（b）密度;（c）比熱比;（d）熱導(dǎo)率;（e）體積彈性模量;（f）熱膨脹系數(shù)。圖中的紫色到紅色的彩虹色帶標(biāo)定了以上Sic納米流體特性由大到小的回歸函數(shù)值，從圖中可以得到Sic納米流體的物理模型是合理的，符合Sic納米流體的基本屬性特征。

2.3 ?仿真分析

文中采用AMEsim軟件，搭建了液壓回路系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型如圖5所示。

此液壓回路系統(tǒng)中包括電機(jī)、液壓泵、溢流閥、兩位四通換向閥、液壓缸和負(fù)載質(zhì)量塊，而對(duì)于本論文最關(guān)鍵的兩個(gè)模塊一是fluidprops流體屬性模塊，二是液壓源模塊。流體屬性模塊它可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在不同溫度和壓力環(huán)境下的液壓介質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。液壓源模塊是液壓系統(tǒng)的液壓介質(zhì)屬性模型，本文基于此建立了46號(hào)液壓油、純水和高水基Sic納米流體三種液壓介質(zhì)模型，建立方法如3.2節(jié)所示，液壓系統(tǒng)設(shè)定的溫度范圍為5℃～100℃，壓力值為0～5 MPa，空氣含量是通過選擇AMEsim軟件流體屬性模型參數(shù)的noon和standard caviation模式

圖5 ?液壓系統(tǒng)回路模型

Fig.5 ?Hydraulic system loop model

進(jìn)行不同模式的計(jì)算。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6、7、8所示。

圖6為高水基Sic納米流體、純水和46#液壓油在不同溫度條件下的黏溫特性曲線。

圖7所示為為高水基Sic納米流體、純水和46#液壓油在不同壓力條件下的黏壓特性曲線。

圖8所示為為高水基Sic納米流體、純水和46#液壓油在溶解空氣的條件下的黏度影響。

高水基Sic納米流體 純水 46#液壓油

圖6 ?不同溫度下的黏溫特性曲線

Fig.6 ?Viscosity-temperature characteristics at different temperatures

高水基Sic納米流體 純水 46#液壓油

圖7 ?不同壓力下的黏壓特性曲線

Fig.7 ?Viscosity characteristics under different pressures

高水基Sic納米流體 純水 46#液壓油

圖8 ?溶解空氣條件下的黏度影響曲線

Fig.8 ?Viscosity effect curve under dissolved air

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖6可以得到高水基Sic納米流體的黏度隨溫度的上升而下降，在溫度為5℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為36.23 cSt，23℃時(shí)為18.9 cSt，100℃為5.012 cSt，通過以上數(shù)據(jù)分析可以得出高水基Sic納米流體在極低溫與極高溫環(huán)境下黏度值變化呈線性穩(wěn)步下降，數(shù)值波動(dòng)較小，根據(jù)其組成成分可以推測(cè)Sic納米顆粒對(duì)基礎(chǔ)液體的黏度由顯著提高，通過對(duì)比純水和46#液壓油可以得出高水基Sic納米流體的黏溫特性明顯好于這兩種液壓介質(zhì)，這其中純水由于初始黏度值較低，隨溫度變化也呈現(xiàn)穩(wěn)定下降，可它的黏度范圍不適宜作為液壓介質(zhì)，而46#液壓油的初始黏度值雖高于高水基Sic納米流體，但它的黏溫特性較差，黏度值對(duì)溫度十分敏感，不適宜在高溫環(huán)境中使用。

根據(jù)圖7可以看出壓力變化對(duì)三種液壓介質(zhì)的黏度變化影響較小，這符合一般牛頓流體的特性，同時(shí)也可以得到當(dāng)在壓力高于140 bar時(shí)需要考慮壓力對(duì)液壓介質(zhì)黏度的影響。

由圖8可以總結(jié)出氣泡對(duì)包括高水基Sic納米流體在內(nèi)的液壓介質(zhì)的黏度是會(huì)造成影響的，其中氣泡對(duì)高水基Sic納米流體和46#液壓油的黏度會(huì)造成降低，而對(duì)于純水的黏度有提高作用，同時(shí)也可以得出氣泡對(duì)液體黏度影響是極微小的，只有在考慮極精確的計(jì)算時(shí)才需要考慮氣泡的影響，例如在微流控環(huán)境下需要考慮此種情況。

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